刘鑫海　夏清华

摘 要：设计了一种具有太阳能与电加热的热水器恒温控制系统。系统由硬件和软件两个部分组成。硬件以51单片机芯片为核心，DS18B20和AT35-3芯片为传感器，再加上一些其它外围电路组成了热水器控制系统；软件采用的是模块化设计方法。通过硬件和软件的合理设计，系统具有功耗低、反应快、节能性好等优点，同时还可对温度和水位的最低值进行设定，极大地满足了人们对热水的要求。

关键词：太阳能热水器；AT35-3；DS18B20；51单片机；模块化设计

中图分类号：TU822 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）35-0094-04

Abstract： A constant temperature control system of water heater with solar energy and electric heating is designed. The system consists of hardware and software. The control system of the water heater is composed of the chip of 51 single chip computer as the core of the hardware， the DS18B20 and AT35-3 chips as the sensors， and some other peripheral circuits. The software adopts the modular design method. Through the reasonable design of hardware and software， the system has the advantages of low power consumption， fast response， good energy saving and so on. At the same time， it can also set the minimum value of temperature and water level， which greatly meets the requirements of people for hot water.

Keywords： solar water heater； AT35-3； DS18B20； 51 microcontroller； modular design

目前，由于能源的日益匮乏，能源使用问题已变成了当今社会各行各界所关注的焦点。现在市场常用的热水器有以下几种，分别是太阳能热水器、燃气热水器以及电热水器。其中燃气热水器在使用过程中存在的安全隐患最大，最容易产生事故。由于现在人们正在大规模用电，电热水器也已经不能为人们带来更大的便利，拥有环保、绿色、节能等优点的太阳能热水器作为新时代的产物，已为人们所喜爱，在近年来形势越来越好。

据调查，现在市场上很多太阳能热水器控制系统都存在着功能较少、操作比较繁琐、控制不便等问题，虽然很多控制器也具备了水位和温度显示功能，但是并不具有温度控制功能，导致热水器在阴雨天的时候就不能正常使用了。即使有少些热水器也具备电加热功能，但是也因为加热的时间不能进行控制而产生事故，从中还浪费了能源。根据以上，因此我设计出了一种以51单片机芯片为核心，具有低高温报警、低液位加水、辅助加热和万年历显示功能的太阳能热水器控制系统。

1 系统硬件设计

1.1 总体硬件设计

系统主要由水位检测电路、温度检测电路、LCD显示电路、时钟电路、水泵驱动电路等几大部分组成。经过合理的软件设计，可以实现系统的各个功能，下面简单地介绍一下系统所实现的功能：水位检测电路和温度检测电路是系统的核心，通过这两个电路可以检测出热水器集水箱的温度以及水位的高度，AT35-3用来测量当前的水位值，同时单片机可以设定水位的最低值；若检测的水位低于设定的水位高度时，此时水位报警电路会进行报警，指示灯点亮，由单片机发出控制命令来控制水泵给系统加水。当水位高于设定值时，报警电路断开，指示灯熄灭；温度传感器主要用来实时检测集水器里水的温度，当温度低于设定温度时，温度报警电路也会工作，单片机会发出命令指示加热装置进行加热，直到高于设定值；按键输入电路用来设置水位高度、水的温度以及万年历的时间；LCD液晶显示电路用来显示和更新这些数据，以便人们更好地了解热水器内部的情况。

依据以上设计任务和系统所需要实现的功能，综合成本等考虑设计出如下的硬件结构框图，如图1所示。

1.2 单元电路设计

1.2.1 温度检测电路的选择与设计

采用的是由DALLAS 公司出产的DS18B20芯片，该产品的特点有：独特的1-Wire接口仅仅占用一个通信端口；内置温度传感器和EEPROM，减少了外部元件的数量；测量温度的范围：-55°C至+125°C（-67°F至+257°F），-10°C至+85°C范围内测量精度为±0.5°C；具有9位至12位的可编程分辨率；无需另接外部元件；寄生供电模式下只需要2个操作引脚（DQ和GND）；多点通信以简化分布式温度测量工作；每个器件具有唯一的64位序列号，存储在器件的ROM内；用户可以灵活地定义温度报警门限，通过报警搜索指令来找到温度超出门限的器件；提供8引脚SO，8引脚？滋SOP，3引脚TO-92多种封装形式，DS18B20各种封装及引脚图，如图2所示。

设计中采用的是TO-92形式的封装，其尺寸形状便于安装在热水器中。通过屏蔽双绞线与单片机相连，可以实现长距离测量工作。各种封装的引脚，如表1。

DS18B20采用的独特的一线式结构，其仅需一根线就能够实现通信。温度传感器一共有三条线：电源線、地线及数据线，以上所述特点表明DS18B20非常适合用于长距离多点温度检测系统。由DS18B20所组成的温度检测电路，如图3。

1.2.2 水位检测电路的选择与设计

系统选用的是电极式传感器AT35-3芯片，电极板式水位检测电路结构简单，其精度也足够控制系统的使用。利用导电液体开关电路的原理，适用于单片机等逻辑控制器。当水漫过电极，电路接通，电平发生改变，主控芯片依靠电平的状态判断液位。采用电极式液位检测电路控制了成本，降低了系统复杂度，也方便自主选择安装位置。而且AT35-3芯片采用的是不锈钢材料制作，探测面能可靠接收和传递所处水中位置信号，可长期使用，不易锈蚀脱落，且能有效抵抗表面结垢问题，维修也十分简便容易，由电极式传感器（仿真中用按键代替）所组成的水位检测电路，如图4。

其中一档水位表示为1L，二档水位表示为2L，三档水位表示为3L，四档水位表示为4L。

1.2.3 显示电路的选择与介绍

LCD1602显示分为字段进行显示和字符进行显示两种。其中字段进行显示与LED显示原理大致相似，只需要把信号送到相应的管脚就能进行显示。而字符进行显示是根据需要显示的字符送到LCD上显示。其中显示数据包括数字、字母以及ASCII码。本次我设计采用的是字符型显示。系统中采用的是LCD1602显示屏作为显示器件。与传统的LED显示相比较，LCD1602液晶显示模块具有以下优点：体积小、功耗低以及显示内容丰富，并且也不需要外加驱动电路，LCD1602液晶显示屏也已被广大人们所认可，它可以显示2行16汉字。

1.2.4 时钟电路的选择与介绍

本次系统采用的是DS1302实时时钟芯片，它的工作是靠串口与单片机进行通信。DS1302时钟内部提供年、月、日、时、分、秒以及星期等信息，通过一定的配置都可以送到显示屏上进行显示。并且每月的天数以及每年的闰年天数都可以实现自动调整，时钟的操作可以通过AM/PM 指示决定采用是24小时显示格式还是12小时显示格式。单片机与DS1302之间采用的通信方式是串行通信，它们之间的连接只需要用到三根线：一根是时钟的复位线（RST）、一根是数据线（DO）以及串行时钟线（SCLK）。时钟的数据传输可以是一个字节或者是多个字节。并且该芯片在工作时功耗很低，正常显示时功率低至1mw，操作起来也非常方便。

2 系统软件设计

2.1 软件总体流程

具体的设计流程：首先给系统上电，紧接着是对系统进行初始化，初始化包括I/O输入/输出配置、LCD1602初始化设置、温度传感器初始化等。系统初始化完成后，执行以下功能，首先读取DS18B20温度传感器的数据并转换成实际温度，同时检测水位高度的变化，将温度和水位高度等信息送入LCD显示，接着进行按键扫描，在按键扫描的过程中可以进行温度和水位高度的设定，自动/手动模式切换等操作。最后是控制功能，判断温度是否到达设定温度，若无则打开加热装置给系统加热，判断水位高度是否到达设定值，若无则打开加水泵给系统加水，直到到达设定值，关闭加热装置和加水泵。同时需要判断是否低于最低水位，若水位低于最低的水位高度，打开蜂鸣器，通知用户采取相应的应急措施，系统的整体程序设计的流程图如图5。

2.2 温度采集设计流程

DS18B20数据采集是根据其本身的通讯协议来实现的，它的工作流程基本如下：首先需要对其进行初始化，即完成寄存器的基本设置；然后再启动DS18B20的温度转换功能，等待温度的采集成功；当获取到采集数据之后，然后再开始进行读取数据寄存器，获取高八位数据和低八位数据；最后将这些数据转换成十进制然后再乘以0.625放到LCD1602上显示，基本操作流程如图6所示。

2.3 水位检测流程

水位检测电路程序设计比较简单，仅需要读取打片机的P3口，屏蔽低四位数据就可判断水位的信息。水位检测模块的原理是：读取水位检测接口，然后进行查表，再根据预设的关键水位信息操作继电器驱动电路。

3 系统测试

通过以上章节对系统软件和硬件的设计，为验证实际测试效果，于是做出了实物，并向单片机中下载程序代码。经过调试该系统实现了以下功能：

（1）水温显示：集水箱里的水温通过DS18B20传感器的检测，在LCD1602上能够显示温度值，且测量温度在0-125℃，数值上精确到±0.5℃。实际测试中，发现该系统对水温的检测具有响应快速、测量准确等优点，使用非常方便。

（2）水位显示：实际测试当中，水位检测电路会检测当前的水位值并在LCD上会显示，还有，如果当水位高于设定的水位值时，此时，系统不作出反应，表示水量充足，不需要加水，当检测出来水位值低于设定的水位值时，此时，蜂鸣器会发出报警，表示水量不足，需要加水；单片机会控制水泵进行加水，用户也可以手动加水，大大提高了用水的效率。

（3）系统水位（水温）自动控制：当系统的水位低于设定的水位值时，系统会给单片机发送消息，此时使单片机控制I/O口为低电平，使水泵开始工作自动开始加水，直到水位高于设定水位才开始停止加水，此时水位传感器再将水位信息传送给单片机，单片机控制I/O口为高电平，这样就完成了水位控制。水温控制电路的工作流程和水位控制电路基本一致。

（4）万年历显示：当系统通上电后，LCD1602的第一行上会显示当前时间，同时用户也可以设置时间，时间信息包括年、月、日、时、分、秒等信息，系统上有功能选择按键，当光标指到年月日时分秒某个选项上时，通过功能加或功能减按键就可以设置了，然后退出即可完成设置，此时万年历就可以正常地显示时间。

4 结束语

通过51单片机实现了太阳能热水器控制系统的设计，能够很好地满足用户的实际需求，对比以往的设计方法，此系统采用了自动控制方式，即水量较少时，系统会自动加水，温度过低时，系统会辅助加热。这样就避免了人们需要通过按键来加水和加热的麻烦，同时能源也得到了很好地利用；而且系统设计的温度跟踪循环方式充分利用了太阳能进行加热并且及时启动辅助能源补充加热，为用户提供了不断开电的同时，减少了能源消耗。并且此设计在许多方面也设计了保护电路、采用的也大多都是低功耗的器件，使得该系统有了更好的发展空间。

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